晶界对摩擦焊过程中原子扩散以及缺陷演化的影响

摘要：本文在空位以及位错对原子扩散的影响进行了研究的基础上，分析晶界对摩擦焊过程中原子扩散以及缺陷演化的影响。

关键词：晶界，原子扩散，微观缺陷，影响

摩擦焊过程中原子发生了超扩散现象，这与其扩散条件是分不开的。在摩擦焊过程中，由于剧烈的塑性变形，材料中形成大量的微观缺陷如空位以及位错等，在对空位以及位错对原子扩散的影响进行了研究的基础上，分析晶界对摩擦焊过程中原子扩散以及缺陷演化的影响。

1晶界的构造

材料变形过程中组织结构发生剧烈变化，其直接影响到原子的扩散行为。晶界作为原子扩散的通道之一，对原子的扩散有着重要影响，因此下面对晶界的作用进行了分子动力学模拟。

材料选用的是面心立方结构Ti，为了构造晶界，我们采用将模型按照一定的方向旋转的方法。初始构型如图1（a）所示，然后将构型分为左右两组，分别旋转一定的方向，为满足右手定则，将左侧部分按x方向（-1 1 0），y方向（1 1 -2），z方向（-1 -1 -1）旋转，而右侧部分按x方向（1 -1 0），y方向（-1 -1 2），z方向（-1 -1 -1）旋转，相对旋转角度约为15度并由此构造了晶界，构型如图1（b）所示，图中不同的颜色代表不同的原子配位数。

2晶界对原子扩散的影响

基于之前构建的晶界模型，在1000K下研究晶界的演化过程，并对晶界附近三层原子的扩散行为进行研究，以此研究晶界处原子的扩散行为与完整晶体中原子扩散行为的差异。不同时刻晶界的演化过程如图2所示。

在1000K条件下，通过对晶界处原子扩散行为的模拟结果可知，相对于空位以及位错缺陷，晶界缺陷消失所需时间更长，约250PS才能完全消失；随着扩散时间的增加，大尺寸的晶界逐渐发生弯曲，局部弥合，形成多个小尺寸的局部缺陷，并逐渐消失；靠近模型边缘处晶界消失速度大于模型中部晶界消失的速度。为了研究晶界对原子的扩散行为的影响作用，下面对原子扩散的均方根位移进行计算，如图3所示。

通过计算表明晶界处原子的扩散均方根位移曲线斜率约为0.8，而相同条件下完整晶体中原子的扩散均方根位移斜率约为0.05，即晶界处原子的扩散系数比完整晶体中原子扩散系数大一个数量级，表明晶界处的原子扩散速率远远大于完整晶体中原子的扩散速度。